一、CANopen基础（上）
1、CAN协议概述与基本原理
（1）CAN网络全称Controller Area Network，译为控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。
（2）CAN的OSI模型：
①七层模型，亦称OSI（Open System Interconnection），参考模型是国际标准化组织（ISO）制定的一个用于计算机或通信系统间互联的标准体系，一般称为OSI参考模型或七层模型
②从OSI网络模型的角度来看，现场总线网络一般只实现了第1层（物理层）、第2层（数据链路层）、第7层（应用层），因为现场总线通常只包括一个网段，因此不需要第3层（传输层）和第4层（网络层），也不需要第5层（会话层）和第6层（描述层）的作用。
③CAN只定义物理层和数据链路层，没有规定应用层。
（3）CAN的特性：
①CAN总线采用双线差分信号，两根线构成总线------CAN_High与CAN_Low，这两根线之间的电位差可以对应两个不同的逻辑状态进行编码。静态时，CAN_High与CAN_Low均是2.5V左右，此时状态表示为逻辑1，也可以叫做隐性位；用CAN_H比CAN_L高表示逻辑0，称为显性位，此时通常电压值为CAN_H=3.5V和CAN_L=1.5V，竞争（不同节点竞争总线资源）时显位优先。
②使用双绞线作为总线介质时，总线长度≤40米，传输速率可达1Mbps。
③CAN协议本身对节点的数量没有限制，实际应用中节点数目受网络硬件的电气特性所限制，总线上节点的数量可以动态改变，广播发送报文，报文可以被所有节点同时接收。
④CAN网络是多主站结构，每个报文的内容通过标识符识别，标识符在网络中是唯一的，它描述了数据的含义，也标识了报文的发送节点，甚至某些特定的应用对标识符的分配进行了标准化；另外，总线上的其它节点可以根据需要可进行相关性报文过滤，根据标识符滤出期望接收的报文。
（4）CAN的数据帧可简单认为由报文标识符（即CAN报文ID）、数据段长度（DLC）和数据段（Data）构成，实际中，CAN报文的格式较为复杂，具体可参考《STM32入门教程》中关于CAN的介绍，此处不再赘述。
（5）CAN协议本身没有定义应用层，但随着技术的发展，越来越多的应用层协议被设计出来，它们主要定义了CAN数据帧中的数据段。
2、CANopen概述
（1）CANopen的背景：
①CAL（CAN Application Layer）协议是目前基于CAN的高层通讯协议中的一种，最早由Philips医疗设备部门制定。
②CAL提供了所有的网络管理服务和报文传送协议，但并没有定义通讯对象的内容或者正在通讯的类型，而这正是CANopen的切入点。
③CANopen是在CAL的基础上开发的，使用了CAL通讯和服务协议子集，提供了分布式控制系统的一种实现方案。
④CANopsn的核心是设备对象字典（OD：Object Dictionary)，在其它现场总线（如Profibus）系统中也使用这种设备描述形式。
⑤对象字典不是CAL的一部分，而是在CANopen中实现的。
⑥CANopen协议是免许可证的，任何组织和个人都可以开发支持CANopen协议的设备而不用支付版税。
（2）CANopen的网络模型：
CANopen协议沿用了CAN的物理层与数据链路层，在此基础上完善了应用层，应用层包含通讯子协议和设备子协议两部分，在通讯子协议中，有定义对象字典中对象的具体格式以及通信协议的具体格式（如SDO通讯、PDO通讯、网络管理）
（3）CANopen常见规范：
CANopen协议是CAN-in-Automation（CiA）定义的标准之一，在欧洲，CANopen协议被认为是在基于CAN的工业系统中占领导地位的标准，大多数重要的设备类型，例如数字和模拟的输入输出模块、驱动设备、操作设备、控制器、可编程控制器或编码器，都在称为 "设备描述"的协议中进行描述，"设备描述"定义了不同类型的标准设备及其相应的功能。
依靠CANopen协议的支持，可以对不同厂商的设备通过总线进行配置
（4）常用术语及含义：
3、CANopen对象词典
（1）对象词典（Object Dictionary）是CANopen设备里所有参数、功能、状态的集合，它相当于一个表格，里面给设备的每一个功能都分配了唯一的"地址"，地址由16位index和8位sub-index组成，主站要读/写设备的某个参数，只需要发送"访问这个地址"的指令就行。下图是CANopen对象词典的示例。
|-----------------------|-------|-----------|------|----|---------|
| 名称 | Index | Sub_Index | Bits | 属性 | 含义 |
| Control_word | 6040H | 00H | 10H | RW | 设备状态控制字 |
| Modes of Operation | 6060H | 00H | 08H | RW | 工作模式 |
| Target_position | 607AH | 00H | 20H | W | 目标位置 |
| Target_velocity | 60FFH | 00H | 20H | W | 速度模式速度 |
| Profile_velocity | 6081H | 00H | 20H | W | 位置模式速度 |
| StatusWord | 6041H | 00H | 10H | R | 设备状态字 |
| Position actual value | 6063H | 00H | 20H | R | 实际位置 |
（2）不同厂商的设备，只要支持CANopen，就会遵循同一个对象字典规范，比如控制字的地址永远是6040H，主站不用管是谁家的电机，都能用同一套指令控制。
（3）对象字典里包含了设备的所有参数（比如通讯波特率、电机额定电流、运行状态），相当于把设备的功能全部"登记在册"。
（4）EDS（电子数据文档）就是对象字典的"电子版说明书"，里面记录了设备支持的所有对象字典地址、含义、属性，主站软件导入EDS文件后，就能自动识别设备的所有功能。
（5）如下为CANopen对象词典的通用结构：
①对象字典中描述通讯参数的部分，对所有CANopen设备都是一样的。
②对于使用者来说，主要关注通讯子协议区域、制造商特定子协议区域、标准的设备子协议区域。通讯子协议区域中，主要包含设备类型、错误寄存器、参数地址等内容；制造商特定子协议区域，针对不同的厂家，即使是同类型的设备，定义可能也是不一样的；标准的设备子协议区域，针对不同类型的设备，定义可能是不一样的。
4、CANopen通讯标识符
（1）CANopen通讯标识符全名Communication Object Identifier，简写为COB_ID，它由CAN报文ID演化而来，每个CANopen帧都以COB_ID开头，它是数据帧的位移标识符。
（2）COB_ID包括功能段（FUNCTION）和地址段（NODE_ID），NODE_ID由系统集成商定义，范围是1~127（0不允许被使用），也就是说，一个CANopen网络最多有127个节点。
（3）和CAN协议一样，COB_ID越小，CANopen报文的优先级越高。
5、CANopen网络管理
（1）CANopen状态机如下图所示。
①上图中，括号内的字母表示处于不同状态时，支持的报文服务：
a.NMT（网络管理）：所有状态都支持，是控制设备状态的核心指令
b.Node Guard（节点保护）：用于监控设备在线状态，运行状态下支持
c. SDO（服务数据对象）：用于读写设备参数（如配置对象字典），预操作、运行状态都支持
d..Emergency（紧急报文）：设备故障时主动上报，初始化结束后就支持
e.PDO（过程数据对象）：用于实时控制（如发目标位置、读状态），只有运行状态才支持
f.Boot-up（启动报文）：设备初始化完成后自动发送，仅在初始化跳变至预操作状态时触发
②状态转移条件共6个，其中1-5由NMT发起：
1：Start_Remote_Node（NMT命令字0x01）：让设备从预操作/停止状态进入运行状态，PDO开始工作，设备可正常控制
2：Stop_Remote_Node（NMT命令字0x02）：让设备进入停止状态，只响应NMT，停止所有业务通讯
3：Enter_Pre-Operational_State（NMT命令字0x80）：让设备从运行/停止状态回到预操作状态，可配置参数，但PDO停止工作
4：Reset_Node（NMT命令字0x81）：设备完全复位，回到初始化状态，相当于重启设备
5：Reset_Communication（NMT命令字0x82）：仅复位通讯相关配置（如波特率、节点ID），不复位设备参数，回到初始化状态
6：设备初始化结束，自动进入Pre-Operational状态，发送Boot-up报文（启动报文）通知主站
（2）NMT模块控制报文：
①只有NMT-Master节点能够传送NMT Module Control报文，所有从节点必须支持NMT模块控制服务。
②NMT Module Control报文不需要应答。
③NMT报文格式如下：
当Node-ID为0时，所有的NMT从站设备被寻址（也就是说，所有从站设备都要接收这帧报文）
CS是命令字，取值及含义如下
（3）NMT节点保护报文：
①通过节点保护报文，NMT主节点可以监视每个从节点的当前状态。
②主节点周期性地发送报文去询问从节点的状态，从节点收到主节点的问询后，将自己的状态回复给主节点，在设定的时间内，如果主节点没有收到从节点的信息，或信息错误，都会判断从节点通讯故障。
③主节点发送的远程帧格式如下，只有COB-ID，没有数据段。
④从节点应答的数据帧格式如下，Bit7为触发位，在每次节点保护应答中交替置位"0"和"1"，在第一次节点保护时置0。
Bit6-0的状态表如下，其中带"*"的状态需要支持扩展Boot-up的节点才提供，状态0不在节点保护中出现，因为从节点在初始化状态中是不会应答报文的
⑤需要注意的是，在CAN网络中，同一时间、同一方向的报文不能用相同的ID，但这里的两个NMT节点保护报文是方向相反、类型不同的，主站发的是远程请求帧（RTR），从站回复的是数据帧（Data Frame），它们的CAN标识符（COB-ID）可以相同，且这正是节点保护的标准设计。
（4）NMT心跳报文：
①一个节点还可被配置为产生周期性的被称作心跳报文（Heartbeat）的报文，从节点周期性地将该报文为发送给消费者，消费者可以通过报文中的状态值得知从节点的状态。
②心跳报文（HeartBeat）的消费者通常是NMT-Master主节点，它为每一个HeartBeat节点设置一个超时时间，当超时未收到某从节点的心跳报文时，主节点将采取相应的动作。
③心跳报文的格式如下：
其中状态的定义如下表所示
④在同一个CANopen节点上，节点保护和心跳报文是互斥的，设备只能启用其中一种，不能同时工作，所以不会遇到"两种报文同时出现在同一个ID上"的情况，这是标准规定的。
（5）NMT Boot-up启动报文：
①NMT-slave节点发布Boot-UP报文通知NMT-Master节点，它已经从初始化状态进入预操作状态。
②Boot-up启动报文的格式如下：
③Boot-up启动报文的唯一性特征：
1数据段固定为 0x00：这是标准规定的，启动报文的唯一数据就是0x00，表示"初始化完成，现在进入预操作状态了"。
2只发送一次：设备上电或复位后，只会在初始化完成时发送一次启动报文，之后不会再主动发0x00的0x700+Node-ID报文。
3时序上和其它报文完全错开：启动报文发送时，设备还没进入正常工作状态，主站也还没开始节点保护轮询或心跳监控，所以不会和节点保护及心跳报文混淆。